Введение 5
Глава I
1. Обзор литературы, постановка задачи исследования 10
1.1 Классификация бетонов 10
1.1.1 Высокопрочные бетоны 13
1.1.2. Легкие бетоны 14
1.1.3 Модифицированные бетоны 15
1.2 Номенклатура показателей качества бетона 17
1.2.1 Метод определения предела прочности 20
1.2.1.1 Контрольные образцы бетона 20
1.2.1.2 Подготовка к испытаниям образцов и условия их проведения 21
1.2.1.3 Проведение испытаний 23
1.2.1.4 Обработка и оценка результатов 24
1.2.2 Метод Определения модуля упругости и коэффициента Пуассона 26
1.2.2.1 Методы изготовления и отбора образцов 26
1.2.2.2 Оборудование и приборы 27
1.2.2.3 Подготовка к испытаниям 28
1.2.2.4 Проведение испытаний 29
1.2.2.5 Обработка результатов 30
1.2.3 Метод Определения работы разрушения 32
1.2.3.1 Проведение испытаний 32
1.2.3.2 Обработка результатов 33
1.3 Теоретические основы расчета по 1 и 2 группе предельных состояний 34
1.4 Описание нанобетона - объекта исследования 36
1.4.1 Состав модифицированного нанофибробетона 37
1.4.1.1 Фибра 37
1.4.1.1 Фуллерены и углеродные нанотрубки 38
1.4.1.2 Синтетический латекс
1.4.1.3 Пластифицирующий компонент 42
1.4.2 Основные параметры нанобетона 45
1.4.3 Практическое применение нанобетона в строительстве 45
1.5 Выводы по главе, постановка задачи исследования 46
Глава II 48
2. Экспериментальные исследования 49
2.1 Определение модуля упругости и прочности нанобетона с 49
использованием пресса «CONTROL»
2.1.1 Описание методики испытания 50
2.1.2 Проведение испытания 55
2.2 Определение модуля упругости с использованием пресса Гагарина 66
2.2.1 Описание методики испытания 66
2.2.2 Проведение испытания 69
2.3 Определение работы разрушения 85
2.4 Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона на прессе 94
Instron
2.4.1 Описание методики испытания 95
2.4.2 Проведение испытания 95
2.5 Сравнение методик определения модуля нормальной упругости 99
2.6 Выводы по главе 102
3. Нелинейный расчет конструкций с учетом характеристик нанобетона 106
Глава III 106
3.1 Физическая и геометрическая нелинейность 107
3.2 Расчет моделей 109
3.3 Выводы по главе 119
Заключение 120
Список использованных источников 124
Приложение
Последнее десятилетие ХХ века характеризуется значительными достижениями в строительной отрасли. Высокие темпы современного высотного строительства с новыми уникальными архитектурными формами, возведение специальных особо нагруженных сооружений, резервуаров для хранения жидкостей и газов, покрытий дорог и аэродромов, защитных элементов и т.д. потребовали разработки новых эффективных высококачественных бетонов, с улучшенными эксплуатационными свойствами.
Также в данное время быстро развивающееся направление нанотехнологий не оставило без внимания и отрасль строительства. Непрерывно появляются новые материалы с запредельными и иногда противоречащими показателями. Так впервые Российскими учеными Пономаревым А.Н. и Юдовичем М.Е. был создан легкий нанофибробетон. По сути это обычный бетон на основе бетона В25 с добавлением комплексной добавки, включающей компоненты, обработанные с помощью нанотехнологий. Прочность нанобетона - 45-60 МПа, удельный вес - 1,4-1,6 т/м3, морозостойкостью - W20.
С такой большой прочностью и водонепроницаемостью, в тоже время с таким низким собственным весом нанобетон может позволить решить огромное количество иногда неразрешимых задач. Применение данного материала позволит уменьшить собственный вес конструкции на 40%, что приведет к существенной экономии при строительстве нулевого цикла (фундаментов), а также при строительстве самого каркаса здания. Данные характеристики бетона позволят уменьшить либо полностью избежать различного рода мероприятий, такие как гидроизоляционные работы, противопожарные мероприятия, мероприятия, направленные на сейсмическую защиту зданий; становится возможным увеличение пролетов (особенно актуально при строительстве мостов). Данный бетон поможет избежать необходимости в усилении существующей окружающей застройки при строительстве новых зданий, данный вопрос очень актуален для исторической части г. Санкт-Петербурга, и т.д.
Существуют различные материалы, которые позволяют уменьшить собственный вес здания, например, легкие бетоны (керамзитобетон, газобетон и т.д.). Но при использовании этих материалов выигрываем в весе, но теряем по многим другим основным параметрам бетона, таких как прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и т.д.
В данной работе был произведен обзор существующих видов бетона, определены их основные параметры, а также ученые работающие в данном направлении.
По результатам лабораторных исследований были определены следующие параметры:
Модуль нормальной упругости.
Получившееся экспериментальное значение модуля упругости для нанобетона при испытании на прессе Controls - 10,1 104 Н/мм2, что в три раза превышает значение для бетон В45. Среднее значение максимальной нагрузки при сжатии составляет 458,5 кН, предельное напряжение равно 45,8 МПа.
Получившееся среднее значение модуля упругости для нанобетона при испытании на прессе Гагарина получилось равным 3,79 106 тс/м2 или 3,79 103 МПа, что соответствует табличному значению модуля упругости для бетона В 45 - 3,82 1 06 тс/м2.
Среднее значение модуля упругости при испытаниях на прессе Insrton получилось равным 10,4^103 МПа, что в 3 раза меньше по сравнению с модулем сертифицированного бетона.
Ввиду проделанной лабораторной работы составлена методика по определению модуля нормальной упругости для бетонных образцов.
Коэффициент Пуассона.
Коэффициент Пуассона при испытаниях на прессе Instron получился равным 0,21, что соответствует табличному значению коэффициента Пуассона для сертифицированного бетона.
Работа разрушения нанобетона.
Численное значение увеличения удельной работы разрушения, получившееся для нанобетона с учетом характера поведения кривой зависимости деформации от напряжения по сравнению с отсутствием данной «полочки» больше в 2,8 раз.
Все три метода испытания оказались не эффективными:
Для испытания на прессе Controls. Испытания проводились с использованием трех тензодатчиков, что согласно разработанной методике дает большую погрешность, ввиду того, что осредненное значение, определенное с трех датчиков, не равно деформации в центре образца. База использованных для проведения измерений датчиков предполагает, что высота должна быть не мене 160 мм, в то время как в действительности она составляла всего лишь 100 мм; такое несоответствие было скомпенсировано за счет использования подкладных металлических пластин, которые и привели к дополнительным погрешностям. Также датчики были установлены на поверхность бетона без использования металлических накладок.
Для испытания на прессе Гагарина. Особенностью данного метода является измерение деформаций образца с учетом влияния микронеровностей торцевых поверхностей, а также упругих деформаций различных частей пресса. Деформации измерялись за счет взаимного сближения плит пресса.
Для испытания на прессе Instron. Программа нагружения была задана некорректно ввиду качества приготовления образцов. Замер деформации производился только по одной стороне образца.
Сказанное выше и разработанная методика определения модуля упругости позволяют сделать следующее заключение: необходимо произвести испытания на бетонных образцах с размером поперечного сечения - 100х100 мм, высотой 160 мм. Деформации необходимо измерять по двум диаметрально расположенным на боковой поверхности образца точкам по любому из меридианальных сечений образца по средствам видеоэкстензометра.
Для практического применения нанобетона в строительстве были получены следующие результаты:
Увеличение предельной разрушающей нагрузки для конструкций из нанобетона получилось на 21% больше, чем для конструкции из обычного бетона.
По полученным данным видно, что использование нанобетона в условиях одинокого армирования по сравнению с моделью из обычного бетона привело к уменьшению напряжения на 55%.
А также был произведен расчет и сравнительный анализ конструкции здания в вариантах, исполненных из сертифицированного бетона В25 и нанобетона, по результатам расчета был запроектирован несущий каркас здания для каждой модели, и определены объемы требуемых материалов строительства. По результатам проектирования был произведен экономический расчет по укрупненным показателям.
По результатам расчета и сравнительного анализа самым эффективным вариантом оказался вариант, запроектированный из нанобетона с фундаментной плитой - 300 мм, расположенными по сетке колонн балками фундамента, размером - 600х600 мм, перекрытиями, толщиной - 140 мм, и несущими балками 500х400 мм и 400х400. Данный вариант позволил сократить объемы бетона на 2200 м3, вес арматуры на 143 т, общая высота за счет уменьшения поперечных сечений несущих элементов уменьшилась на 3,3 м, глубина котлована на 1 м.
Ввиду водонепроницаемости нанобетона W20 становится возможным отказаться от работ, связанных с гидроизоляцией железобетонных частей здания.
При замене сертифицированного бетона В25 на нанобетон, удалось уменьшить нагрузку от собственного веса с 26 тыс. тонн до 12 тыс. тонн, что составляет более 50%. Уменьшение собственного веса здания является весьма актуальным вопросом, так как нагрузка от собственного веса составляет около 60 % от общей нагрузки на здание в целом.
Для данной выбранной модели расчета, а именно пяти этажного разноуровнего здания автостоянки, применение нанобетона, несмотря на значительное уменьшение объемов материала и трудозатрат, привело к увеличению общей стоимости работ на 46 млн. рублей.
Сказанное выше позволяет предположить, что использование данного нанобетона является актуальным для специальных объектов строительства, например:
• Высотное строительство. Уменьшение собственного веса позволит существенно уменьшить объемы фундаментных работ, так же за счет уменьшения собственного веса увеличивается собственная частота здания. Присутствие в составе нанобетона полых алюмосиликатных микросфер поднимает температуры дегидратации цемента до 800 0С, что позволяет избежать или частично компенсировать противопожарные мероприятия. А также для высотного строительства стоимость по укладке бетона на высоте существенно дороже, чем работы на нулевой отметке, поэтому вес бетона и его объем приведут к существенному удешевлению проекта в целом.
• Подземное строительство. Водонепроницаемость W20 позволяет избежать работы, связанные с защитой сооружения от воды и влаги.
• Большепролетные конструкции. Уменьшение собственного
веса с одновременным увеличением прочности бетона позволяет увеличивать пролеты.
• Строительство в плотной городской застройке. При
уменьшении собственного веса здания возможно частично либо полностью избежать работы по усилению окружающей застройки. Особенно данный вопрос актуален для исторической части города, когда под угрозу попадают ценные памятники архитектуры.
• Строительство в сейсмоопасных районах. Уменьшение
собственного веса позволяет частично компенсировать мероприятия, направленные на защиту зданий от землетрясений.
Перечисленные выше направления использования нанобетона являются очень актуальными и требуют дальнейших исследований и изучения.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
